Quien propuso el modelo planetario nuclear de la estructura del átomo. Modelo planetario del átomo.

La idea de que los átomos son las partículas más pequeñas de la materia surgió por primera vez durante Grecia antigua. Sin embargo, sólo a finales del siglo XVIII, gracias al trabajo de científicos como A. Lavoisier, M.V. Lomonosov y algunos otros, se demostró que los átomos realmente existen. Sin embargo, en aquellos días nadie se preguntaba cuál era su estructura interna. Los científicos todavía consideraban a los átomos como los “bloques de construcción” indivisibles que componen toda la materia.

Intenta explicar la estructura del átomo.

¿Quién fue el primer científico en proponer el modelo nuclear? El primer intento de crear un modelo de estas partículas perteneció a J. Thomson. Sin embargo, no se puede calificar de exitoso en el pleno sentido de la palabra. Después de todo, Thomson creía que el átomo es un sistema esférico y eléctricamente neutro. Al mismo tiempo, el científico asumió que la carga positiva se distribuía uniformemente por todo el volumen de esta bola y que en su interior había un núcleo cargado negativamente. Todos los intentos del científico por explicar la estructura interna del átomo fracasaron. Ernest Rutherford es quien propuso el modelo nuclear de la estructura del átomo unos años después de que Thomson planteara su teoría.

Historia de la investigación

Utilizando la investigación sobre electrólisis en 1833, Faraday pudo establecer que la corriente en una solución de electrolito es un flujo de partículas cargadas o iones. Basándose en estos estudios, pudo determinar la carga mínima del ion. Además, el químico nacional D.I. Mendeleev desempeñó un papel importante en el desarrollo de esta dirección de la física. Fue él quien planteó por primera vez en los círculos científicos la cuestión de que todos los átomos podían tener la misma naturaleza. Vemos que antes de que se propusiera por primera vez el modelo nuclear de Rutherford de la estructura del átomo, diversos científicos llevaron a cabo una gran cantidad de experimentos igualmente importantes. Avanzaron en la teoría atómica de la estructura de la materia.

Primeros experimentos

Rutherford es verdaderamente un científico brillante porque sus descubrimientos revolucionaron la comprensión de la estructura de la materia. En 1911, pudo realizar un experimento con el que los investigadores pudieron observar las misteriosas profundidades del átomo y hacerse una idea de cuál es su estructura interna. Los primeros experimentos fueron realizados por el científico con el apoyo de otros investigadores, pero el papel principal en el descubrimiento todavía correspondía a Rutherford.

Experimento

Utilizando fuentes naturales de radiación radiactiva, Rutherford pudo construir un cañón que emitía una corriente de partículas alfa. Era una caja de plomo, dentro de la cual había una sustancia radiactiva. Había una ranura en la pistola que permitía que todas las partículas alfa impactaran en la pantalla de plomo. Sólo podían volar a través de la ranura. En el camino de este haz de partículas radiactivas había varias pantallas más.

Separaron partículas que se desviaron de una dirección previamente especificada. Se alcanzó un objetivo estrictamente enfocado. Rutherford utilizó una fina lámina de lámina de oro como objetivo. Una vez que las partículas golpearon esta lámina, continuaron su movimiento y finalmente chocaron contra una pantalla fluorescente que estaba instalada detrás de este objetivo. Cuando las partículas alfa chocaron contra esta pantalla, se registraron destellos, a partir de los cuales el científico pudo juzgar cuántas partículas se desviaron de la dirección original al chocar con la lámina y cuál fue la magnitud de esta desviación.

Diferencias con experimentos anteriores.

Los escolares y estudiantes que estén interesados ​​en saber quién propuso el modelo nuclear de la estructura del átomo deben saberlo: experimentos similares se llevaron a cabo en física antes de Rutherford. Su idea principal era recopilar la mayor cantidad de información posible sobre la estructura del átomo a partir de las desviaciones de las partículas de su trayectoria original. Todos estos estudios llevaron a la acumulación de cierta cantidad de información en la ciencia y provocaron una reflexión sobre estructura interna partículas más pequeñas.

Ya a principios del siglo XX, los científicos sabían que un átomo contiene electrones con carga negativa. Pero entre la mayoría de los investigadores prevaleció la opinión de que el interior de un átomo se parece más a una rejilla llena de partículas cargadas negativamente. Estos experimentos permitieron obtener mucha información, por ejemplo, determinar las dimensiones geométricas de los átomos.

brillante suposición

Rutherford observó que ninguno de sus predecesores había intentado nunca determinar si las partículas alfa podían desviarse de su trayectoria en ángulos muy grandes. El modelo anterior, a veces llamado "pudín de pasas" entre los científicos (porque según este modelo, los electrones en un átomo están distribuidos como pasas en un pudín), simplemente no permitía la existencia de componentes densos de la estructura dentro del átomo. Ninguno de los científicos se molestó siquiera en considerar esta opción. El investigador pidió a su alumno que reequipara la instalación de tal manera que se registraran grandes desviaciones de las partículas de la trayectoria, solo para excluir esta posibilidad. Imagínese la sorpresa tanto del científico como de su alumno cuando resultó que algunas partículas se dispersan en un ángulo de 180 grados.

¿Qué hay dentro de un átomo?

Descubrimos quién propuso el modelo nuclear de la estructura del átomo y cuál fue la experiencia de este científico. En ese momento, el experimento de Rutherford fue un verdadero avance. Se vio obligado a concluir que dentro de un átomo, la mayor parte de la masa estaba contenida en una materia muy densa. El diagrama del modelo nuclear de la estructura de un átomo es extremadamente simple: en su interior hay un núcleo cargado positivamente.

Otras partículas llamadas electrones orbitan alrededor de este núcleo. El resto es varios órdenes de magnitud menos denso. La disposición de los electrones dentro de un átomo no es caótica: las partículas están dispuestas en orden de energía creciente. El investigador llamó núcleos a las partes internas de los átomos. Los nombres que introdujo el científico todavía se utilizan en la ciencia hoy.

¿Cómo prepararse para la lección?

Aquellos escolares que estén interesados ​​en quién propuso el modelo nuclear de la estructura del átomo pueden demostrar conocimientos adicionales en la lección. Por ejemplo, se puede hablar de cómo a Rutherford, mucho después de sus experimentos, le gustaba dar una analogía para su descubrimiento. Un país del sur de África recibe de contrabando armas para los rebeldes contenidas en fardos de algodón. ¿Cómo pueden los funcionarios de aduanas determinar exactamente dónde se encuentran los suministros peligrosos si todo el tren está lleno de estos fardos? El funcionario de aduanas puede empezar a disparar a los fardos, y donde rebotan las balas es donde se ubica el arma. Rutherford enfatizó que así fue exactamente como se hizo su descubrimiento.

Para los escolares que se preparan para responder sobre este tema en clase, es recomendable preparar respuestas a las siguientes preguntas:

1. ¿Quién propuso el modelo nuclear de la estructura del átomo?

2. ¿Cuál fue el objetivo del experimento?

3. Diferencia entre el modelo nuclear y otros modelos.

La importancia de la teoría de Rutherford.

Las conclusiones radicales que Rutherford sacó de sus experimentos llevaron a muchos de sus contemporáneos a dudar de la veracidad de este modelo. Incluso el propio Rutherford no fue una excepción: publicó los resultados de su investigación sólo dos años después del descubrimiento. Tomando como base las ideas clásicas sobre cómo se mueven las micropartículas, propuso un modelo planetario nuclear de la estructura del átomo. En general, el átomo tiene carga neutra. Los electrones se mueven alrededor del núcleo, del mismo modo que los planetas giran alrededor del Sol. Este movimiento se produce debido a Fuerzas de Coulomb. EN momento presente El modelo de Rutherford ha sufrido modificaciones significativas, pero el descubrimiento del científico no pierde su relevancia en la actualidad.

La masa de los electrones es varios miles de veces menor que la masa de los átomos. Dado que el átomo en su conjunto es neutro, la mayor parte de la masa del átomo está en su parte cargada positivamente.

Para un estudio experimental de la distribución de la carga positiva, y por tanto de la masa, dentro de un átomo, Rutherford propuso en 1906 utilizar el sondeo del átomo utilizando α -partículas Estas partículas surgen de la desintegración del radio y algunos otros elementos. Su masa es aproximadamente 8000 veces la masa de un electrón y su carga positiva es igual en magnitud al doble de la carga del electrón. Estos no son más que átomos de helio completamente ionizados. Velocidad α -las partículas son muy grandes: es 1/15 de la velocidad de la luz.

Rutherford bombardeó los átomos de elementos pesados ​​con estas partículas. Los electrones, debido a su baja masa, no pueden cambiar notablemente su trayectoria. α -partículas, al igual que un guijarro que pesa varias decenas de gramos, al chocar con un automóvil, no puede cambiar notablemente su velocidad. Dispersión (cambio de dirección del movimiento) α -Las partículas sólo pueden ser causadas por la parte del átomo cargada positivamente. Así, al dispersar α -las partículas permiten determinar la naturaleza de la distribución de carga positiva y masa en el interior del átomo.

Se colocó un fármaco radiactivo, por ejemplo radio, dentro de un cilindro de plomo 1, a lo largo del cual se perforó un canal estrecho. Bollo α -las partículas del canal cayeron sobre una fina lámina 2 del material en estudio (oro, cobre, etc.). Después de dispersarse α -las partículas cayeron sobre una pantalla translúcida 3 recubierta con sulfuro de zinc. La colisión de cada partícula con la pantalla iba acompañada de un destello de luz (centelleo), que se podía observar a través del microscopio 4. Todo el dispositivo se colocó en un recipiente del que se evacuó el aire.

Con un buen vacío dentro del dispositivo y en ausencia de lámina, apareció en la pantalla un círculo luminoso, formado por centelleos provocados por un haz fino. α -partículas Pero cuando se colocó papel de aluminio en el camino del rayo, α -las partículas debidas a la dispersión se distribuyeron en la pantalla en un círculo área más grande. Modificando la configuración experimental, Rutherford intentó detectar la desviación α -partículas en grandes ángulos. De manera bastante inesperada, resultó que un pequeño número α -Las partículas (alrededor de una entre dos mil) se desviaron en ángulos superiores a 90°. Rutherford admitió más tarde que, habiendo propuesto a sus alumnos un experimento para observar la dispersión α -partículas en ángulos grandes, él mismo no creía en un resultado positivo. "Es casi tan increíble", dijo Rutherford, "como si dispararas un proyectil de 15 pulgadas contra un trozo de papel de seda y el proyectil regresara y te golpeara". De hecho, era imposible predecir este resultado basándose en el modelo de Thomson. Cuando se distribuye por todo un átomo, una carga positiva no puede crear un campo eléctrico lo suficientemente intenso como para hacer retroceder la partícula alfa. La fuerza repulsiva máxima está determinada por la ley de Coulomb:

donde q α es la carga α -partículas; q es la carga positiva del átomo; r es su radio; k - coeficiente de proporcionalidad. La intensidad del campo eléctrico de una bola cargada uniformemente es máxima en la superficie de la bola y disminuye a cero a medida que se acerca al centro. Por tanto, cuanto menor sea el radio r, mayor será la fuerza repulsiva α -partículas.

Apresto núcleo atómico. Rutherford se dio cuenta de que α -la partícula podría ser lanzada hacia atrás sólo si la carga positiva del átomo y su masa estuvieran concentradas en una región muy pequeña del espacio. Así llegó Rutherford a la idea del núcleo atómico: un cuerpo pequeño en el que se concentran casi toda la masa y toda la carga positiva del átomo.

Modelo planetario del átomo., o modelo rutherford, es un modelo histórico de la estructura del átomo, propuesto por Ernest Rutherford como resultado de un experimento con dispersión de partículas alfa. Según este modelo, el átomo está formado por un pequeño núcleo cargado positivamente, en el que se concentra casi toda la masa del átomo, alrededor del cual se mueven los electrones, al igual que los planetas se mueven alrededor del Sol. modelo planetario del átomo corresponde a las ideas modernas sobre la estructura del átomo, teniendo en cuenta el hecho de que el movimiento de los electrones es de naturaleza cuántica y no está descrito por las leyes de la mecánica clásica. Históricamente, el modelo planetario de Rutherford reemplazó al "modelo del pudín de ciruelas" de Joseph John Thomson, que postulaba que los electrones cargados negativamente se colocan dentro de un átomo cargado positivamente.

El primer modelo de la estructura del átomo fue propuesto por J. Thomson en 1904, según el cual el átomo es una esfera cargada positivamente con electrones incrustados en ella. A pesar de sus imperfecciones, el modelo de Thomson permitió explicar los fenómenos de emisión, absorción y dispersión de la luz por los átomos, así como establecer el número de electrones en los átomos de los elementos ligeros.

Arroz. 1. Átomo, según el modelo de Thomson. Los electrones se mantienen dentro de una esfera cargada positivamente mediante fuerzas elásticas. Los que están en la superficie pueden ser fácilmente "eliminados", dejando un átomo ionizado.

1. 2.2 modelo de Rutherford

El modelo de Thomson fue refutado por E. Rutherford (1911), quien demostró que la carga positiva y casi toda la masa de un átomo se concentran en una pequeña parte de su volumen: el núcleo, alrededor del cual se mueven los electrones (Fig. 2).

Arroz. 2. Este modelo de estructura atómica se conoce como planetario porque los electrones giran alrededor del núcleo como los planetas del sistema solar.

Según las leyes de la electrodinámica clásica, el movimiento de un electrón en círculo alrededor del núcleo será estable si la fuerza de atracción de Coulomb es igual a la fuerza centrífuga. Sin embargo, de acuerdo con la teoría del campo electromagnético, los electrones en este caso deberían moverse en espiral, emitiendo energía continuamente y caer sobre el núcleo. Sin embargo, el átomo es estable.

Además, con una radiación continua de energía, el átomo debe exhibir un espectro continuo y continuo. De hecho, el espectro de un átomo consta de líneas y series individuales.

Por tanto, este modelo contradice las leyes de la electrodinámica y no explica la naturaleza lineal del espectro atómico.

2.3. modelo de bohr

En 1913, N. Bohr propuso su teoría de la estructura atómica, sin negar por completo las ideas anteriores. Bohr basó su teoría en dos postulados.

El primer postulado dice que un electrón puede girar alrededor del núcleo sólo en determinadas órbitas estacionarias. Mientras está sobre ellos, no emite ni absorbe energía (Fig. 3).

Arroz. 3. Modelo de estructura del átomo de Bohr. El cambio de estado de un átomo cuando un electrón pasa de una órbita a otra.

Al moverse a lo largo de cualquier órbita estacionaria, la reserva de energía del electrón (E 1, E 2 ...) permanece constante. Cuanto más cerca esté la órbita del núcleo, menor será la reserva de energía del electrón E 1 ˂ E 2 …˂ E n . La energía de los electrones en órbitas está determinada por la ecuación:

donde m es la masa del electrón, h es la constante de Planck, n – 1, 2, 3... (n=1 para la 1ª órbita, n=2 para la 2ª, etc.).

El segundo postulado dice que al pasar de una órbita a otra, un electrón absorbe o libera un cuanto (porción) de energía.

Si los átomos están expuestos a influencias (calentamiento, irradiación, etc.), entonces el electrón puede absorber una cantidad de energía y moverse a una órbita más alejada del núcleo (Fig. 3). En este caso hablamos de un estado excitado del átomo. Durante la transición inversa del electrón (a una órbita más cercana al núcleo), se libera energía en forma de un cuanto de energía radiante: un fotón. Esto está indicado por una línea específica en el espectro. Basado en la fórmula

,

donde λ es la longitud de onda, n = números cuánticos que caracterizan las órbitas cercanas y lejanas, Bohr calculó las longitudes de onda para todas las series del espectro del átomo de hidrógeno. Los resultados obtenidos fueron consistentes con los datos experimentales. El origen de los espectros de líneas discontinuas quedó claro. Son el resultado de la emisión de energía por los átomos durante la transición de los electrones de un estado excitado a un estado estacionario. Las transiciones de electrones a la primera órbita forman un grupo de frecuencias de la serie de Lyman, a la segunda, la serie de Balmer, y a la tercera serie de Paschen (Fig. 4, Tabla 1).

Arroz. 4. Correspondencia entre transiciones electrónicas y líneas espectrales del átomo de hidrógeno.

Tabla 1

Verificación de la fórmula de Bohr para las series del espectro del hidrógeno.

Sin embargo, la teoría de Bohr no podía explicar la división de líneas en los espectros de átomos multielectrónicos. Bohr partió del hecho de que el electrón es una partícula y utilizó las leyes características de las partículas para describir el electrón. Al mismo tiempo, se han acumulado hechos que indican que el electrón también es capaz de exhibir propiedades ondulatorias. La mecánica clásica no pudo explicar el movimiento de microobjetos que poseen simultáneamente las propiedades de partículas materiales y las propiedades de una onda. Este problema se resolvió mediante la mecánica cuántica, una teoría física que estudia los patrones generales de movimiento e interacción de micropartículas de muy baja masa (Tabla 2).

Tabla 2

Propiedades de las partículas elementales que forman un átomo.

Se convirtieron en un paso importante en el desarrollo de la física. El modelo de Rutherford fue de gran importancia. Se estudió con mayor precisión y detalle el átomo como sistema y las partículas que lo componen. Esto condujo al desarrollo exitoso de una ciencia como la física nuclear.

Ideas antiguas sobre la estructura de la materia.

La suposición de que los cuerpos circundantes están formados por partículas diminutas se hizo en la antigüedad. Los pensadores de esa época imaginaban el átomo como la partícula más pequeña e indivisible de cualquier sustancia. Argumentaron que no hay nada en el Universo de tamaño más pequeño que un átomo. Estos puntos de vista fueron sostenidos por los grandes científicos y filósofos griegos antiguos: Demócrito, Lucrecio, Epicuro. Las hipótesis de estos pensadores se reúnen hoy bajo el nombre de “atomismo antiguo”.

Actuaciones medievales

Los tiempos de la antigüedad han quedado atrás, y en la Edad Media también hubo científicos que hicieron diversas suposiciones sobre la estructura de las sustancias. Sin embargo, el predominio de las opiniones filosóficas religiosas y el poder de la iglesia en ese período de la historia cortaron de raíz cualquier intento y aspiración de la mente humana hacia conclusiones y descubrimientos científicos materialistas. Como saben, la Inquisición medieval se comportó de manera muy hostil con los representantes del mundo científico de esa época. Queda por decir que las mentes brillantes de esa época tenían la idea de la indivisibilidad del átomo, que surgió desde la antigüedad.

Estudios de los siglos XVIII y XIX

El siglo XVIII estuvo marcado por importantes descubrimientos en el campo de la estructura elemental de la materia. En gran parte gracias a los esfuerzos de científicos como Antoine Lavoisier, Mikhail Lomonosov e Independientemente unos de otros, pudieron demostrar que los átomos realmente existen. Pero la cuestión de su estructura interna quedó abierta. El final del siglo XVIII estuvo marcado por un acontecimiento tan significativo en el mundo científico como el descubrimiento de la tabla periódica por D. I. Mendeleev. elementos quimicos. Este fue un avance verdaderamente poderoso de esa época y levantó el telón de la comprensión de que todos los átomos tienen una naturaleza única, que están relacionados entre sí. Posteriormente, en el siglo XIX, otro paso importante para desentrañar la estructura del átomo fue la prueba de que cualquiera de ellos contiene un electrón. El trabajo de los científicos durante este período preparó un terreno fértil para los descubrimientos del siglo XX.

Los experimentos de Thomson

El físico inglés John Thomson demostró en 1897 que los átomos contienen electrones con carga negativa. En esta etapa, las falsas ideas de que el átomo es el límite de divisibilidad de cualquier sustancia quedaron completamente destruidas. ¿Cómo logró Thomson demostrar la existencia de los electrones? En sus experimentos, el científico colocó electrodos en gases muy enrarecidos y pasó corriente eléctrica. Como resultado, aparecieron los rayos catódicos. Thomson estudió detenidamente sus características y descubrió que son una corriente de partículas cargadas que se mueven a enorme velocidad. El científico pudo calcular la masa de estas partículas y su carga. También descubrió que no se pueden convertir en partículas neutras porque carga electrica- esta es la base de su naturaleza. Thomson fue también el creador del primer modelo mundial de la estructura del átomo. Según él, un átomo es un conjunto de materia cargada positivamente en el que los electrones cargados negativamente están distribuidos uniformemente. Esta estructura explica la neutralidad general de los átomos, ya que las cargas opuestas se equilibran entre sí. Los experimentos de John Thomson resultaron invaluables para el estudio posterior de la estructura del átomo. Sin embargo, muchas preguntas quedaron sin respuesta.

La investigación de Rutherford.

Thomson descubrió la existencia de los electrones, pero no pudo encontrar partículas cargadas positivamente en el átomo. corrigió este malentendido en 1911. Durante los experimentos que estudiaban la actividad de las partículas alfa en los gases, descubrió que el átomo contenía partículas cargadas positivamente. Rutherford vio que cuando los rayos pasaban a través de un gas o de una fina placa metálica Hay una fuerte desviación de una pequeña cantidad de partículas de la trayectoria del movimiento. Fueron literalmente arrojados hacia atrás. El científico supuso que este comportamiento se explica por las colisiones con partículas cargadas positivamente. Estos experimentos permitieron al físico crear un modelo de la estructura del átomo de Rutherford.

modelo planetario

Ahora bien, las ideas del científico eran algo diferentes de las suposiciones de John Thomson. Se volvieron diferentes y sus modelos atómicos. le permitió crear una teoría completamente nueva en esta área. Los descubrimientos de los científicos fueron decisivos para el desarrollo posterior de la física. El modelo de Rutherford describe un átomo con un núcleo ubicado en el centro y electrones que se mueven a su alrededor. El núcleo tiene carga positiva y los electrones tienen carga negativa. El modelo del átomo de Rutherford suponía la rotación de electrones alrededor del núcleo a lo largo de determinadas trayectorias: órbitas. El descubrimiento del científico ayudó a explicar el motivo de la desviación de las partículas alfa y fue el impulso para el desarrollo de la teoría nuclear del átomo. El modelo del átomo de Rutherford muestra una analogía con el movimiento de los planetas. sistema solar alrededor del Sol. Esta es una comparación muy precisa y vívida. Por lo tanto, el modelo de Rutherford, en el que el átomo se mueve alrededor del núcleo en una órbita, se llamó planetario.

Obras de Niels Bohr

Dos años más tarde, el físico danés Niels Bohr intentó combinar ideas sobre la estructura del átomo con propiedades cuánticas. flujo luminoso. El modelo nuclear del átomo de Rutherford fue utilizado por los científicos como base para su nueva teoría. Según Bohr, los átomos giran alrededor del núcleo en órbitas circulares. Esta trayectoria de movimiento conduce a la aceleración de los electrones. Además, la interacción de Coulomb de estas partículas con el centro del átomo va acompañada de la creación y gasto de energía para mantener el campo electromagnético espacial surgido del movimiento de los electrones. En tales condiciones, algún día las partículas cargadas negativamente caerán sobre el núcleo. Pero esto no sucede, lo que indica una mayor estabilidad de los átomos como sistemas. Niels Bohr se dio cuenta de que las leyes de la termodinámica clásica, descritas por las ecuaciones de Maxwell, no funcionan en condiciones intraatómicas. Por ello, el científico se propuso la tarea de deducir nuevas leyes que serían válidas en el mundo de las partículas elementales.

postulados de bohr

En gran parte gracias a que existía el modelo de Rutherford y que el átomo y sus componentes estaban bien estudiados, Niels Bohr pudo abordar la creación de sus postulados. El primero de ellos afirma que el átomo tiene en que no cambia su energía, mientras que los electrones se mueven en órbitas sin cambiar su trayectoria. Según el segundo postulado, cuando un electrón se mueve de una órbita a otra, se libera o absorbe energía. Es igual a la diferencia entre las energías de los estados anterior y posterior del átomo. Además, si un electrón salta a una órbita más cercana al núcleo, se produce radiación y viceversa. A pesar de que el movimiento de los electrones se parece poco a una trayectoria orbital situada estrictamente en un círculo, el descubrimiento de Bohr permitió obtener una excelente explicación de la existencia de un espectro lineal, por la misma época, los físicos Hertz y Frank, quienes. Vivió en Alemania, confirmó la enseñanza de Niels Bohr sobre la existencia de estados estacionarios y estables del átomo y la posibilidad de cambiar los valores de la energía atómica.

Colaboración entre dos científicos

Por cierto, Rutherford. mucho tiempo no pudo determinar Los científicos Marsden y Geiger intentaron verificar las declaraciones de Ernest Rutherford y, como resultado de experimentos y cálculos detallados y cuidadosos, llegaron a la conclusión de que era el núcleo el que la característica más importanteátomo, y toda su carga se concentra en él. Posteriormente se demostró que el valor de la carga nuclear es numéricamente igual al número atómico del elemento en tabla periódica elementos de D.I. Curiosamente, Niels Bohr pronto conoció a Rutherford y estuvo completamente de acuerdo con sus puntos de vista. Posteriormente, los científicos trabajaron juntos durante mucho tiempo en el mismo laboratorio. El modelo de Rutherford, el átomo como sistema formado por partículas elementales cargadas, todo esto Niels Bohr lo consideró justo y dejó de lado para siempre su modelo electrónico. Articulación actividad científica Los científicos tuvieron mucho éxito y dieron frutos. Cada uno de ellos profundizó en el estudio de las propiedades de las partículas elementales e hizo descubrimientos importantes para la ciencia. Más tarde, Rutherford descubrió y demostró la posibilidad de la descomposición nuclear, pero este es un tema para otro artículo.

El modelo planetario del átomo fue propuesto por E. Rutherford en 1910. Realizó sus primeros estudios de la estructura del átomo utilizando partículas alfa. Basándose en los resultados obtenidos de sus experimentos de dispersión, Rutherford propuso que toda la carga positiva de un átomo estaba concentrada en un pequeño núcleo en su centro. Por otro lado, los electrones cargados negativamente se encuentran repartidos por el resto de su volumen.

Un poco de historia

La primera suposición brillante sobre la existencia de los átomos la hizo el antiguo científico griego Demócrito. Desde entonces, la idea de la existencia de átomos, cuyas combinaciones dan lugar a todas las sustancias que nos rodean, no ha abandonado la imaginación de los científicos. Varios de sus representantes la contactaban periódicamente, pero antes principios del XIX siglos de su construcción fueron sólo hipótesis, no respaldadas por datos experimentales.

Finalmente, en 1804, más de cien años antes de que apareciera el modelo planetario del átomo, el científico inglés John Dalton presentó pruebas de su existencia e introdujo el concepto de peso atómico, que fue su primera característica cuantitativa. Al igual que sus predecesores, concebía los átomos como pequeños trozos de materia, como bolas sólidas que no podían dividirse en partículas aún más pequeñas.

Descubrimiento del electrón y el primer modelo del átomo

Pasó casi un siglo cuando, finalmente, finales del XIX En el siglo XIX, el inglés J. J. Thomson también descubrió la primera partícula subatómica, el electrón con carga negativa. Dado que los átomos son eléctricamente neutros, Thomson pensó que debían consistir en un núcleo cargado positivamente con electrones dispersos por todo su volumen. Basándose en varios resultados experimentales, propuso su modelo del átomo en 1898, a veces llamado las "ciruelas en el pudín" porque representaba al átomo como una esfera llena de un líquido cargado positivamente en el que los electrones estaban incrustados como "ciruelas". el pudín." El radio de un modelo esférico de este tipo era de unos 10 -8 cm. La carga positiva general del líquido está equilibrada simétrica y uniformemente por las cargas negativas de los electrones, como se muestra en la siguiente figura.

Este modelo explicó satisfactoriamente el hecho de que cuando una sustancia se calienta, comienza a emitir luz. Aunque éste fue el primer intento de comprender qué era un átomo, no logró satisfacer los resultados de los experimentos realizados posteriormente por Rutherford y otros. Thomson estuvo de acuerdo en 1911 en que su modelo simplemente no podía responder cómo y por qué se produce la dispersión de rayos α observada experimentalmente. Por lo tanto, fue abandonado y reemplazado por un modelo planetario más avanzado del átomo.

¿Cómo está estructurado el átomo?

Ernest Rutherford dio una explicación del fenómeno de la radiactividad que le trajo premio nobel Sin embargo, su contribución más significativa a la ciencia llegó más tarde, cuando estableció que el átomo está formado por un núcleo denso rodeado por las órbitas de los electrones, así como el Sol está rodeado por las órbitas de los planetas.

Según el modelo planetario del átomo, la mayor parte de su masa se concentra en un núcleo diminuto (en comparación con el tamaño de todo el átomo). Los electrones se mueven alrededor del núcleo, viajando a velocidades increíbles, pero la mayor parte del volumen de los átomos es espacio vacío.

El tamaño del núcleo es tan pequeño que su diámetro es 100.000 veces menor que el de un átomo. Rutherford estimó que el diámetro del núcleo era de 10 a 13 cm, en contraste con el tamaño del átomo: 10 a 8 cm. Fuera del núcleo, los electrones giran a su alrededor a altas velocidades, lo que genera fuerzas centrífugas que equilibran la electrostática. Fuerzas de atracción entre protones y electrones.

Los experimentos de Rutherford.

El modelo planetario del átomo surgió en 1911, tras el famoso experimento de la lámina de oro, que permitió obtener información fundamental sobre su estructura. El camino de Rutherford hacia el descubrimiento del núcleo atómico es buen ejemplo El papel de la creatividad en la ciencia. Su búsqueda comenzó en 1899, cuando descubrió que algunos elementos emiten partículas cargadas positivamente que pueden penetrar cualquier cosa. A estas partículas las llamó partículas alfa (α) (ahora sabemos que eran núcleos de helio). Como todo buen científico, Rutherford sentía curiosidad. Se preguntó si las partículas alfa podrían usarse para conocer la estructura de un átomo. Rutherford decidió apuntar un haz de partículas alfa a una lámina de oro muy fina. Eligió el oro porque podía convertirse en láminas de hasta 0,00004 cm. Detrás de una lámina de oro, colocó una pantalla que brillaba cuando las partículas alfa la golpeaban. Se utilizó para detectar partículas alfa después de atravesar una lámina. Una pequeña rendija en la pantalla permitió que el haz de partículas alfa alcanzara la lámina después de abandonar la fuente. Algunos de ellos deben atravesar el papel de aluminio y continuar moviéndose en la misma dirección, la otra parte debe rebotar en el papel de aluminio y reflejarse en ángulos agudos. Puede ver el diseño experimental en la siguiente figura.

¿Qué pasó en el experimento de Rutherford?

Basándose en el modelo atómico de J. J. Thomson, Rutherford asumió que las regiones continuas de carga positiva que llenaban todo el volumen de átomos de oro desviarían o doblarían las trayectorias de todas las partículas alfa a medida que pasaban a través de la lámina.

Sin embargo, la gran mayoría de las partículas alfa atravesaron la lámina de oro, como si no estuviera allí. Parecían estar atravesando un espacio vacío. Sólo unos pocos se desvían del camino recto, como se esperaba al principio. A continuación se muestra un gráfico del número de partículas dispersadas en la dirección correspondiente frente al ángulo de dispersión.

Sorprendentemente, un pequeño porcentaje de las partículas rebotó en el papel de aluminio, como una pelota de baloncesto que rebota en un tablero. Rutherford se dio cuenta de que estas desviaciones eran el resultado de colisiones directas entre partículas alfa y los componentes del átomo con carga positiva.

El núcleo ocupa un lugar central

Basándonos en el pequeño porcentaje de partículas alfa reflejadas en la lámina, podemos concluir que toda la carga positiva y casi toda la masa del átomo se concentra en un área pequeña, y el resto del átomo es mayormente espacio vacío. Rutherford llamó núcleo al área de carga positiva concentrada. Predijo y pronto descubrió que contenía partículas cargadas positivamente, a las que llamó protones. Rutherford predijo la existencia de partículas atómicas neutras llamadas neutrones, pero no pudo detectarlas. Sin embargo, su alumno James Chadwick los descubrió unos años más tarde. La siguiente figura muestra la estructura del núcleo de un átomo de uranio.

Los átomos consisten en núcleos pesados ​​cargados positivamente, rodeados por partículas de electrones extremadamente ligeras cargadas negativamente que giran a su alrededor, y a velocidades tales que las fuerzas centrífugas mecánicas simplemente equilibran su atracción electrostática hacia el núcleo y, en este sentido, supuestamente, se garantiza la estabilidad del átomo. .

Desventajas de este modelo.

La idea principal de Rutherford estaba relacionada con la idea de un núcleo atómico pequeño. La suposición sobre las órbitas de los electrones era pura hipótesis. No sabía exactamente dónde ni cómo giraban los electrones alrededor del núcleo. Por tanto, el modelo planetario de Rutherford no explica la distribución de los electrones en las órbitas.

Además, la estabilidad del átomo de Rutherford sólo era posible con el movimiento continuo de los electrones en órbitas sin pérdida de energía cinética. Pero los cálculos electrodinámicos han demostrado que el movimiento de los electrones a lo largo de cualquier trayectoria curvilínea, acompañado de un cambio en la dirección del vector de velocidad y la aparición de la correspondiente aceleración, va inevitablemente acompañado de la emisión de energía electromagnética. En este caso, de acuerdo con la ley de conservación de la energía, la energía cinética del electrón debería gastarse muy rápidamente en radiación y debería caer sobre el núcleo, como se muestra esquemáticamente en la figura siguiente.

Pero esto no sucede, ya que los átomos son formaciones estables. Surgió una contradicción, típica de la ciencia, entre el modelo del fenómeno y los datos experimentales.

De Rutherford a Niels Bohr

El próximo gran paso adelante en historia atómica Ocurrió en 1913, cuando el científico danés Niels Bohr publicó una descripción de un modelo más detallado del átomo. Definió más claramente los lugares donde podrían ubicarse los electrones. Aunque más tarde los científicos desarrollarían diseños atómicos más sofisticados, el modelo planetario del átomo de Bohr era básicamente correcto, y gran parte de él todavía se acepta hoy. ella tenia muchos aplicaciones útiles, por ejemplo, se utiliza para explicar las propiedades de varios elementos químicos, la naturaleza de su espectro de radiación y la estructura del átomo. El modelo planetario y el modelo de Bohr fueron los hitos más importantes que marcaron el surgimiento de una nueva dirección en la física: la física del micromundo. Bohr recibió el Premio Nobel de Física en 1922 por sus contribuciones a nuestra comprensión de la estructura atómica.

¿Qué novedades aportó Bohr al modelo atómico?

Cuando aún era joven, Bohr trabajó en el laboratorio de Rutherford en Inglaterra. Dado que el concepto de electrones estaba poco desarrollado en el modelo de Rutherford, Bohr se centró en ellos. Como resultado, el modelo planetario del átomo mejoró significativamente. Los postulados de Bohr, que formuló en su artículo “Sobre la estructura de átomos y moléculas”, publicado en 1913, afirman:

1. Los electrones pueden moverse alrededor del núcleo sólo a distancias fijas de él, determinadas por la cantidad de energía que tienen. A estos niveles fijos los llamó niveles de energía o capas de electrones. Bohr las imaginó como esferas concéntricas, con un núcleo en el centro de cada una. En este caso, los electrones con menor energía se encontrarán a más niveles bajos, más cerca del núcleo. Aquellos con más energía se encontrarán en más niveles altos, más lejos del núcleo.

2. Si un electrón absorbe una determinada cantidad de energía (bastante cierta para un nivel determinado), saltará al siguiente nivel de energía superior. Por el contrario, si pierde la misma cantidad de energía, volverá a su nivel original. Sin embargo, un electrón no puede existir en dos niveles de energía.

Esta idea se ilustra con un dibujo.

Porciones de energía para los electrones.

El modelo atómico de Bohr es en realidad una combinación de dos ideas diferentes: el modelo atómico de Rutherford con electrones orbitando un núcleo (esencialmente el modelo planetario del átomo de Bohr-Rutherford) y la idea del científico alemán Max Planck de cuantificar la energía de la materia. publicado en 1901. Un cuanto (en plural- cuantos) es la cantidad mínima de energía que una sustancia puede absorber o emitir. Es una especie de paso de discretizar la cantidad de energía.

Si se compara la energía con el agua y se quiere añadirla a la materia en forma de vaso, no se puede simplemente verter agua en un chorro continuo. En su lugar, puedes añadirlo en pequeñas cantidades, como una cucharadita. Bohr creía que si los electrones sólo pueden absorber o perder cantidades fijas de energía, entonces deben variar su energía sólo en esas cantidades fijas. Por tanto, sólo pueden ocupar niveles de energía fijos alrededor del núcleo que correspondan a incrementos cuantificados de su energía.

Así, del modelo de Bohr surge un enfoque cuántico para explicar cuál es la estructura del átomo. El modelo planetario y el modelo de Bohr fueron pasos únicos desde la física clásica hasta la física cuántica, que es la principal herramienta de la física del micromundo, incluida la física atómica.